Bio-FET

Un biosensor basado en transistor de efecto de campo , también conocido como transistor de efecto de campo de biosensor ( Bio-FET ^{[ 1 ]} o BioFET ), biosensor de efecto de campo ( FEB ) ^{[ 2 ]} o MOSFET de biosensor ^{[ 3 ]} , es un transistor de efecto de campo (basado en la estructura MOSFET ) ^{[ 3 ]} que se activa mediante cambios en el potencial de superficie inducidos por la unión de moléculas . Cuando las moléculas cargadas, como las biomoléculas , se unen a la puerta del FET, que suele ser un material dieléctrico , pueden cambiar la distribución de carga del material semiconductor subyacente , lo que resulta en un cambio en la conductancia del canal del FET. ^{[ 4 ] [ 5 ]} Un Bio-FET consta de dos compartimentos principales: uno es el elemento de reconocimiento biológico y el otro es el transistor de efecto de campo. ^{[ 1 ] [ 6 ]} La estructura BioFET se basa en gran medida en el transistor de efecto de campo sensible a iones (ISFET), un tipo de transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor (MOSFET) donde la compuerta metálica se reemplaza por una membrana sensible a iones , una solución electrolítica y un electrodo de referencia . ^{[ 7 ]}

Los Bio-FET combinan un dispositivo transistor con una capa biosensible que puede detectar específicamente biomoléculas como ácidos nucleicos y proteínas. Un sistema Bio-FET consta de un transistor de efecto de campo semiconductor que actúa como transductor, separado por una capa aislante (p. ej., _SiO₂ ) del elemento de reconocimiento biológico (p. ej., receptores o moléculas sonda) que son selectivos para la molécula objetivo llamada analito. ^{[ 8 ]} Una vez que el analito se une al elemento de reconocimiento, la distribución de carga en la superficie cambia con un cambio correspondiente en el potencial electrostático superficial del semiconductor. Este cambio en el potencial superficial del semiconductor actúa como lo haría una tensión de puerta en un MOSFET tradicional , es decir, cambiando la cantidad de corriente que puede fluir entre los electrodos de fuente y drenaje. ^{[ 9 ]} Este cambio en la corriente (o conductancia ) se puede medir, por lo que se puede detectar la unión del analito. La relación precisa entre la corriente y la concentración del analito depende de la región de operación del transistor . ^{[ 10 ]}

La fabricación del sistema Bio-FET consta de varios pasos, como se detalla a continuación:

1. Encontrar un sustrato adecuado para servir como sitio FET y formar un FET en el sustrato,
2. Al exponer un sitio activo del FET desde el sustrato,
3. Proporcionar una capa de película sensora en el sitio activo del FET,
4. Proporcionar un receptor en la capa de película sensora para ser utilizado para la detección de iones,
5. Eliminar una capa semiconductora y adelgazar una capa dieléctrica,
6. Grabar la porción restante de la capa dieléctrica para exponer un sitio activo del FET,
7. Eliminar la fotorresina y depositar una capa de película sensora, seguida de la formación de un patrón de fotorresina sobre la película sensora,
8. Grabado de la porción no protegida de la capa de película sensora y eliminación de la fotorresina ^{[ 11 ]}

El principio de funcionamiento de los dispositivos Bio-FET se basa en la detección de cambios en el potencial electrostático debido a la unión del analito. Este es el mismo mecanismo de funcionamiento que los sensores de electrodos de vidrio , que también detectan cambios en el potencial superficial, pero que se desarrollaron ya en la década de 1920. Debido a la pequeña magnitud de los cambios en el potencial superficial tras la unión de biomoléculas o cambios de pH, los electrodos de vidrio requieren un amplificador de alta impedancia, lo que aumenta el tamaño y el coste del dispositivo. En cambio, la ventaja de los dispositivos Bio-FET es que funcionan como un amplificador intrínseco, convirtiendo pequeños cambios en el potencial superficial en grandes cambios de corriente (a través del componente transistor) sin necesidad de circuitos adicionales. Esto significa que los BioFET pueden ser mucho más pequeños y asequibles que los biosensores basados ​​en electrodos de vidrio . Si el transistor opera en la región subumbral , se espera un aumento exponencial de la corriente por cada unidad de cambio en el potencial superficial.

Los Bio-FET se pueden utilizar para la detección en campos como el diagnóstico médico , ^{[ 12 ] [ 11 ]} la investigación biológica, la protección ambiental y el análisis de alimentos. Las mediciones convencionales como las ópticas, espectrométricas, electroquímicas y SPR también se pueden utilizar para analizar moléculas biológicas. Sin embargo, estos métodos convencionales son relativamente lentos y costosos, implican procesos de múltiples etapas y tampoco son compatibles con el monitoreo en tiempo real, ^{[ 13 ]} a diferencia de los Bio-FET. Los Bio-FET son ligeros, de bajo costo de producción en masa, de tamaño pequeño y compatibles con procesos planares comerciales para circuitos a gran escala. Se pueden integrar fácilmente en dispositivos microfluídicos digitales para Lab-on-a-chip . Por ejemplo, un dispositivo microfluídico puede controlar el transporte de gotas de muestra mientras permite la detección de biomoléculas, el procesamiento de señales y la transmisión de datos, utilizando un chip todo en uno . ^{[ 14 ]} El Bio-FET tampoco requiere ningún paso de marcaje, ^{[ 13 ]} y simplemente utiliza una molécula específica (por ejemplo, anticuerpo, ssDNA ^{[ 15 ]} ) en la superficie del sensor para proporcionar selectividad. Algunos Bio-FET muestran propiedades electrónicas y ópticas fascinantes. Un ejemplo de FET sería un sensor de glucosa basado en la modificación de la superficie de la compuerta del ISFET con nanopartículas de SiO ₂ y la enzima glucosa oxidasa (GOD); este dispositivo mostró una sensibilidad notablemente mejorada y una vida útil prolongada en comparación con el que no tiene nanopartículas de SiO _2. ^{[ 16 ]}

La elección del electrodo de referencia (puerta líquida) o del voltaje de la compuerta posterior determina la concentración de portadores dentro del transistor de efecto de campo y, por lo tanto, su región de operación; por lo tanto, la respuesta del dispositivo se puede optimizar ajustando el voltaje de la compuerta. Si el transistor opera en la región subumbral , entonces se espera un aumento exponencial de la corriente para un cambio unitario en el potencial de superficie. La respuesta a menudo se informa como el cambio en la corriente en la unión del analito dividido por la corriente inicial (${\displaystyle \Delta I/I_{0}}$), y este valor siempre es máximo en la región subumbral de operación debido a esta amplificación exponencial. ^{[ 10 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]} Para la mayoría de los dispositivos, la relación señal-ruido óptima, definida como el cambio en la corriente dividido por el ruido de línea base, (${\displaystyle \Delta I/\delta i_{\text{ruido}}}$) también se obtiene al operar en la región subumbral, ^{[ 10 ] [ 20 ]} sin embargo, como las fuentes de ruido varían entre dispositivos, esto depende del dispositivo. ^{[ 21 ]}

Una optimización del Bio-FET podría ser colocar una superficie de pasivación hidrofóbica en la fuente y el drenaje para reducir la unión biomolecular no específica a regiones que no son la superficie de detección. ^{[ 22 ] [ 23 ]} Se han revisado muchas otras estrategias de optimización en la literatura. ^{[ 10 ] [ 24 ] [ 25 ]}

El MOSFET fue inventado en Bell Labs entre 1959 y 1960. ^{[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]} En 1962, Leland C. Clark y Champ Lyons inventaron el primer biosensor . ^{[ 29 ] [ 30 ]} Posteriormente se desarrollaron los MOSFET de biosensores (BioFET), que desde entonces se han utilizado ampliamente para medir parámetros físicos , químicos , biológicos y ambientales . ^{[ 3 ]}

El primer BioFET fue el transistor de efecto de campo sensible a iones (ISFET), inventado por Piet Bergveld para aplicaciones electroquímicas y biológicas en 1970. ^{[ 31 ] [ 32 ]} Otros BioFET tempranos incluyen el FET de adsorción (ADFET) patentado por PF Cox en 1974, y un MOSFET sensible al hidrógeno demostrado por I. Lundstrom, MS Shivaraman, CS Svenson y L. Lundkvist en 1975. ^{[ 3 ]} El ISFET es un tipo especial de MOSFET con una compuerta a cierta distancia, ^{[ 3 ]} y donde la compuerta metálica es reemplazada por una membrana sensible a iones , una solución electrolítica y un electrodo de referencia . ^{[ 33 ]} El ISFET se utiliza ampliamente en aplicaciones biomédicas , como la detección de hibridación de ADN , detección de biomarcadores en sangre , detección de anticuerpos , medición de glucosa , detección de pH y tecnología genética . ^{[ 33 ]}

A mediados de la década de 1980, se habían desarrollado otros BioFET, incluyendo el FET sensor de gas (GASFET), el FET sensor de presión (PRESSFET), el transistor de efecto de campo químico (ChemFET), el ISFET de referencia (REFET), el FET modificado enzimáticamente (ENFET) y el FET modificado inmunológicamente (IMFET). ^{[ 3 ]} A principios de la década de 2000, se habían desarrollado BioFET como el transistor de efecto de campo de ADN (DNAFET), el FET modificado genéticamente (GenFET) y el BioFET de potencial celular (CPFET). ^{[ 33 ]} La investigación actual en esta área ha producido nuevas formaciones de BioFET como el FET con compuerta de electrolito orgánico (OEGFET). ^{[ 34 ]}

• ChemFET : transistor de efecto de campo sensible a sustancias químicas
• ISFET : transistor de efecto de campo sensible a iones